JP2020020633A - Thermal flow rate sensor - Google Patents

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中田 嘉昭
Yoshiaki Nakada
嘉昭 中田
興太郎 瀧尻
Kotaro Takijiri
興太郎 瀧尻
江身子 中川
Emiko Nakagawa
江身子 中川
章良 長田
Akiyoshi Osada
章良 長田
創太郎 岸田
Sotaro Kishida
創太郎 岸田
哲雄 藤井
Tetsuo Fujii
哲雄 藤井
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Abstract

To provide a thermal flow rate sensor having a high resistance to heat and a high responsive rate.SOLUTION: The thermal flow rate sensor includes: a substrate directly attached to a flow path in which a fluid flows; a first sensor in one of the front surface and the back surface of the substrate; a second sensor in one of the front surface and the second surface of the substrate, the second sensor being located below the first sensor; and a honeycomb structure having a plurality of holes extending in the thickness direction of the substrate divided by a separation wall in the substrate.SELECTED DRAWING: Figure 2

Description

本発明は、熱式流量センサに関するものである。   The present invention relates to a thermal flow sensor.

例えば半導体製造プロセスにおいてチャンバに対して供給される流体の流量を測定するために熱式流量センサが用いられている。このような熱式流量センサは、流路内に設けられた分流素子の上流側と下流側をバイパスする金属製の細管と、当該細管の上流側と下流側にそれぞれ巻回されたコイル状の第1センサと第2センサとを備えている。熱式流量センサは、例えば第1センサと第2センサで測定される温度に基づいて、流路を流れる流体の流量を測定するように構成されている。   For example, a thermal flow sensor is used to measure a flow rate of a fluid supplied to a chamber in a semiconductor manufacturing process. Such a thermal type flow sensor has a metal thin tube that bypasses the upstream and downstream sides of a flow dividing element provided in a flow path, and a coil-shaped coil wound on the upstream and downstream sides of the thin tube, respectively. A first sensor and a second sensor are provided. The thermal type flow sensor is configured to measure the flow rate of the fluid flowing through the flow path based on the temperature measured by the first sensor and the second sensor, for example.

ところで、半導体製造プロセスでは、流路に流される流体の温度を300℃近傍の非常に高い温度にすることが近年試みられている。このような高温の流体が細管内を流れると、細管と細管に巻回された第1センサ及び第2センサとの間を絶縁している樹脂層が溶けてしまい、ショートしてしまう可能性がある。このように耐熱性の観点から上述した熱式流量センサでは高温の流体の流量を測定することは難しい。   By the way, in the semiconductor manufacturing process, it has been attempted in recent years to set the temperature of the fluid flowing through the flow path to a very high temperature near 300 ° C. When such a high-temperature fluid flows in the thin tube, the resin layer insulating between the thin tube and the first sensor and the second sensor wound around the thin tube may be melted, and a short circuit may occur. is there. As described above, it is difficult to measure the flow rate of a high-temperature fluid with the above-described thermal flow sensor from the viewpoint of heat resistance.

特開2002−340647号公報JP 2002-340647 A

本発明は上述したような問題に鑑みてなされたものであり、高い耐熱性と応答速度を有する熱式流量センサを提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above problems, and has as its object to provide a thermal flow sensor having high heat resistance and response speed.

すなわち、本発明に係る熱式流量センサは、流体が流れる流路に表面が面するように取り付けられる基板と、前記基板の表面又は裏面に形成される第1センサと、前記基板の表面又は裏面に形成され、前記第1センサよりも下流側に配置される第2センサと、前記基板において隔壁により区成された前記基板の厚み方向に延びる複数の孔を具備するハニカム構造と、を備えたことを特徴とする。   That is, the thermal type flow sensor according to the present invention includes a substrate mounted so that a surface faces a flow path through which a fluid flows, a first sensor formed on a front surface or a back surface of the substrate, and a front surface or a back surface of the substrate. A second sensor disposed downstream of the first sensor, and a honeycomb structure including a plurality of holes extending in the thickness direction of the substrate and defined by partition walls in the substrate. It is characterized by the following.

なお、本明細書における前記ハニカム構造とは前記孔の横断面の形状が正六角形に限られるものではなく、八角形、四角形、三角形等の多角形、円形、楕円形等の様々な形状をなすものを含む概念である。また、前記ハニカム構造は複数の前記孔が前記基板の面板方向に沿って並び設けられているものである。   In the present specification, the term “honeycomb structure” means that the shape of the cross section of the hole is not limited to a regular hexagon, but may be various shapes such as an octagon, a rectangle, a polygon such as a triangle, a circle, and an ellipse. It is a concept that includes things. Further, in the honeycomb structure, a plurality of the holes are provided side by side along a face plate direction of the substrate.

このようなものであれば、前記基板の表面に前記第1センサ及び前記第2センサが形成されているので、耐熱性の低い樹脂を用いずに例えば金属メッキ等によって前記第1センサ及び前記第2センサを形成することができる。   In such a case, since the first sensor and the second sensor are formed on the surface of the substrate, the first sensor and the second sensor are formed by, for example, metal plating without using a resin having low heat resistance. Two sensors can be formed.

また、前記基板には前記ハニカム構造が形成されているので、複数の前記孔の分だけ前記基板の熱容量を小さくすることができる。このため、前記流体が流れていない場合と流れている場合とで熱分布の違いがわずかであっても、前記基板での温度変化がすぐに生じやすく、前記第1センサ及び前記第2センサでその変化を感度よく検出できる。したがって、流量センサとしての応答速度を向上させることができる。   Further, since the honeycomb structure is formed in the substrate, the heat capacity of the substrate can be reduced by the plurality of holes. For this reason, even if the difference in heat distribution between the case where the fluid is not flowing and the case where the fluid is flowing is slight, a temperature change in the substrate easily occurs immediately, and the first sensor and the second sensor use the same. The change can be detected with high sensitivity. Therefore, the response speed as a flow sensor can be improved.

さらに、前記ハニカム構造は前記基板の厚み方向に延びる複数の孔が形成されるように構成されているので、前記流体の圧力により前記基板が厚み方向に押圧されても割れないような強度を保つことができる。   Furthermore, since the honeycomb structure is configured so that a plurality of holes extending in the thickness direction of the substrate are formed, the strength is maintained so that the substrate is not cracked even if the substrate is pressed in the thickness direction by the pressure of the fluid. be able to.

これらのことから、従来の熱式流量センサでは流量を測定することが難しい高温の流体の流量について、わずかな変化であっても検出することが可能となる。   From these facts, it is possible to detect even a small change in the flow rate of a high-temperature fluid in which it is difficult to measure the flow rate with the conventional thermal flow rate sensor.

高温の流体にさらされたり、圧力を受けたりしても損傷が生じないような耐熱性と機械的強度を実現できるようにするには、前記基板が石英ガラス又はセラミックスで形成されていればよい。なお、これらの材料は他の材料と比較して熱容量が大きくなってしまうが、前記ハニカム構造が形成されていることにより、耐熱性と機械的強度を得ながら熱容量を小さくして流量の変化に伴う第1センサ及び第2センサでの温度変化を大きくすることが可能となる。したがって、要求される流量に対する応答速度も確保することが可能となる。   The substrate may be formed of quartz glass or ceramics in order to realize heat resistance and mechanical strength that do not cause damage even when exposed to a high-temperature fluid or subjected to pressure. . In addition, these materials have a large heat capacity as compared with other materials.However, due to the formation of the honeycomb structure, the heat capacity is reduced while the heat resistance and the mechanical strength are obtained. Accordingly, it is possible to increase the temperature change in the first sensor and the second sensor. Therefore, the response speed to the required flow rate can be secured.

前記基板にハニカム構造を形成しても前記基板の表面側を平面にすることができ、機械的な強度を確保しつつ、前記第1センサ及び前記第2センサをメッキや蒸着等で容易に形成できるようにするには、前記第1センサ及び前記第2センサが前記基板の表面に形成されており、複数の前記孔が、前記基板の裏面側に開口し、前記基板の表面側が閉塞された有底孔であればよい。   Even if a honeycomb structure is formed on the substrate, the surface side of the substrate can be made flat, and the first sensor and the second sensor can be easily formed by plating, vapor deposition, or the like while securing mechanical strength. Preferably, the first sensor and the second sensor are formed on the surface of the substrate, and the plurality of holes are opened on the back side of the substrate, and the front side of the substrate is closed. What is necessary is just a hole with a bottom.

前記第1センサと前記第2センサでの温度差を大きくして、さらに感度良く流量を検出できるようにするには、前記基板の表面に形成され、前記第1センサと前記第2センサとの間に配置されたヒータをさらに備えたものであればよい。   In order to increase the temperature difference between the first sensor and the second sensor so that the flow rate can be detected with higher sensitivity, the first sensor and the second sensor are formed on the surface of the substrate. What is necessary is just to be further provided with the heater arrange | positioned between.

前記ヒータの加熱によって前記基板を温度上昇しやすくして、前記第1センサと前記第2センサでより大きな温度差を形成できるようにするには、前記第1センサ、前記第2センサ、及び、前記ヒータが前記基板の表面に形成されており、複数の前記孔が、前記第1センサ、前記第2センサ、及び、前記ヒータの裏側に形成されていればよい。   In order to increase the temperature of the substrate by heating the heater so that a larger temperature difference can be formed between the first sensor and the second sensor, the first sensor, the second sensor, The heater may be formed on the surface of the substrate, and the plurality of holes may be formed on the back side of the first sensor, the second sensor, and the heater.

複数の前記孔について前記基板の面板方向に沿って最も細密に平面充填できるようにし、熱容量の低減量を大きくしながら機械的な強度も得られるようにするには、前記孔の横断面形状が正六角形であればよい。   In order for the plurality of holes to be able to be filled in the finest plane along the face plate direction of the substrate, and to obtain mechanical strength while increasing the amount of reduction in heat capacity, the cross-sectional shape of the holes should be It may be a regular hexagon.

前記第1センサと前記第2センサにおいて、十分な温度差を形成することができ、例えば半導体製造プロセスにおいて求められる程度の応答速度を実現できるようにするには、前記第1センサと前記第2センサとの間の前記表面に沿った方向の離間距離が、5mm以下であればよい。   In order that a sufficient temperature difference can be formed between the first sensor and the second sensor and, for example, a response speed required in a semiconductor manufacturing process can be realized, the first sensor and the second sensor are required. The distance between the sensor and the sensor in the direction along the surface may be 5 mm or less.

前記基板が直径Rの概略円板形状をなすものであり、前記ハニカム構造が、前記基板の中心から半径0.35R以下の仮想円内の領域に形成されていればよい。   The substrate may have a substantially disk shape having a diameter R, and the honeycomb structure may be formed in a region within a virtual circle having a radius of 0.35R or less from the center of the substrate.

このように本発明に係る熱式流量センサによれば、前記第1センサと前記第2センサを流体と接触する前記基板の表面に形成しているので、例えばメッキや蒸着等により樹脂の絶縁体を用いないようにして耐熱性を高めることができる。また、前記基板にハニカム構造が形成されているので、基板に耐熱性があり熱容量の大きい材料を用いたとしても、複数の前記孔が前記第1センサ及び前記第2センサの近傍に形成され、その部分の熱容量を低減でき、わずかな流量の変化でもすぐに温度変化として検出できる。したがって、本発明に係る熱式流量センサは、例えば300℃近傍の流体の流量測定でも応答速度を向上させることが可能となる。   As described above, according to the thermal type flow sensor according to the present invention, since the first sensor and the second sensor are formed on the surface of the substrate that comes into contact with the fluid, for example, the resin insulator is formed by plating or vapor deposition. The heat resistance can be increased by not using a metal. Further, since the honeycomb structure is formed in the substrate, even if a material having heat resistance and a large heat capacity is used for the substrate, the plurality of holes are formed in the vicinity of the first sensor and the second sensor, The heat capacity of that portion can be reduced, and even a small change in the flow rate can be immediately detected as a temperature change. Therefore, the thermal type flow sensor according to the present invention can improve the response speed even when measuring the flow rate of a fluid near 300 ° C., for example.

本発明の第1実施形態に係る熱式流量センサの流路に対する取り付け状態を示す模式図。FIG. 2 is a schematic diagram showing a state in which the thermal flow sensor according to the first embodiment of the present invention is attached to a flow path. 第1実施形態に係る熱式流量センサの軸方向の模式的断面図。FIG. 2 is a schematic cross-sectional view in the axial direction of the thermal flow sensor according to the first embodiment. 第1実施形態に係る熱式流量センサの表面側を示す模式図。FIG. 2 is a schematic diagram showing a front surface side of the thermal flow sensor according to the first embodiment. 第1実施形態に係る熱式流量センサの基板の裏面側を示す模式図。FIG. 2 is a schematic diagram showing the back side of the substrate of the thermal flow sensor according to the first embodiment. 本発明の第2実施形態に係る熱式流量センサの軸方向の模式的断面図。FIG. 7 is a schematic cross-sectional view in the axial direction of a thermal flow sensor according to a second embodiment of the present invention. 本発明の第3実施形態に係る熱式流量センサの表面側を示す模式図。The schematic diagram which shows the surface side of the thermal type flow sensor which concerns on 3rd Embodiment of this invention. 本発明の第4実施形態に係る熱式流量センサの基板を示す模式図。The schematic diagram which shows the board | substrate of the thermal type flow sensor which concerns on 4th Embodiment of this invention. 本発明の第5実施形態に係る熱式流量センサの表面側を示す模式図。The schematic diagram which shows the surface side of the thermal type flow sensor which concerns on 5th Embodiment of this invention.

本発明の第1実施形態に係る熱式流量センサ100について図1乃至図4を参照しながら説明する。   A thermal flow sensor 100 according to a first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.

第1実施形態の熱式流量センサ100は、例えば半導体製造プロセスにおいてチャンバ等に供給される高温の流体の流量を測定するために用いられるものである。例えば流体は300℃近傍の温度のガスであり、このような高温のガスの流量を例えば従来の流量センサと同等の応答速度で流量を測定するために第1実施形態の熱式流量センサ100は用いられる。   The thermal flow sensor 100 according to the first embodiment is used for measuring the flow rate of a high-temperature fluid supplied to a chamber or the like in a semiconductor manufacturing process, for example. For example, the fluid is a gas having a temperature of around 300 ° C. For measuring the flow rate of such a high-temperature gas at a response speed equivalent to that of a conventional flow sensor, for example, the thermal flow sensor 100 of the first embodiment is Used.

第1実施形態の熱式流量センサ100は、図1に示すように高温のガスが流れる流路Cにおいて流路径が小さくなり狭窄している部分C1に取り付けられる。具体的には熱式流量センサ100は、流路Cを形成するパイプに対して取り付けられるフランジ1と、フランジ1の先端部に取り付けられた石英で形成された基板2と、を備えている。基板2の表面2Hは流路C内において接ガスするように設けられている。   As shown in FIG. 1, the thermal flow sensor 100 according to the first embodiment is attached to a narrow portion C1 of a flow channel C through which a high-temperature gas flows, where the flow channel diameter is small. Specifically, the thermal type flow sensor 100 includes a flange 1 attached to a pipe forming the flow path C, and a substrate 2 made of quartz attached to a tip of the flange 1. The surface 2H of the substrate 2 is provided so as to come into contact with the gas in the flow path C.

図2及び図3は特に基板2の各部、及び、基板2に設けられている部材の詳細をわかりやすくするために厚み等を強調表示した模式図である。したがって、実際の寸法関係を忠実に表現しているとは限らない。   FIGS. 2 and 3 are schematic views in which the thickness and the like are emphasized in order to make the details of each part of the substrate 2 and the members provided on the substrate 2 easy to understand. Therefore, the actual dimensional relationship is not always faithfully represented.

図2及び図3に示すように、概略円板状に形成された基板2の表面2Hにはガスの流れ方向の上流側から順番に第1センサ3、ヒータ5、第2センサ4が設けられている。基板2の表面2Hは平板であり、この表面2Hに対してスパッタリングにより金属メッキすることでそれぞれの部材が形成してある。基板2の外周部には正六角形の頂点をなすように6つのスルーホール21が形成されており、第1センサ3、ヒータ5、第2センサ4はそれぞれ2つのスルーホール21間を接続するように金属メッキにより配線して形成される。   As shown in FIGS. 2 and 3, a first sensor 3, a heater 5, and a second sensor 4 are sequentially provided on a surface 2 </ b> H of the substrate 2 formed in a substantially disk shape from an upstream side in a gas flow direction. ing. The surface 2H of the substrate 2 is a flat plate, and each member is formed by plating the surface 2H with metal by sputtering. Six through holes 21 are formed on the outer peripheral portion of the substrate 2 so as to form a regular hexagonal vertex, and the first sensor 3, the heater 5, and the second sensor 4 connect between the two through holes 21 respectively. Formed by metal plating.

第1センサ3及び第2センサ4は、例えば各スルーホール21については金メッキ31、41で封止し、各金メッキ間をつづら折り状の部分を有するようにプラチナメッキ32で形成されたプラチナ抵抗体を具備するものである。第1センサ3及び第2センサ4はそれぞれ基板2の表面2Hの面板方向に沿った中心線に対して鏡面対称となるように配置されている。第1センサ3及び第2センサ4は、それぞれの位置における温度を検出し、その温度に応じて抵抗値が変化する。第1センサ3及び第2センサ4は、基板2の表面2H側の配線とスルーホール21を介して信号取り出し線Lと接続されており、その信号取り出し線Lはブリッジ回路からなる流量検出機構7と接続されている。第1センサ3及び第2センサ4は温度が変化すると抵抗値が変化するためその変化を温度変化として流量検出機構7は検出する。また、基板2の表面2Hにおいて第1センサ3と第2センサ4におけるそれぞれのつづら折り部分において面板方向に沿って最も近接している部分の離間距離は例えば5mm以下に設定してある。このように離間距離を設定することで、流量変化に応じて第1センサ3と第2センサ4で検出される温度差の感度を高めることができる。   The first sensor 3 and the second sensor 4 are formed, for example, by sealing each through hole 21 with gold plating 31 and 41 and forming a platinum resistor formed of platinum plating 32 so as to have a zigzag portion between the gold plating. It is provided. The first sensor 3 and the second sensor 4 are arranged so as to be mirror-symmetric with respect to a center line of the surface 2H of the substrate 2 along the face plate direction. The first sensor 3 and the second sensor 4 detect the temperature at each position, and the resistance value changes according to the temperature. The first sensor 3 and the second sensor 4 are connected to a signal extraction line L via a wiring on the surface 2H side of the substrate 2 and a through hole 21, and the signal extraction line L is connected to a flow detection mechanism 7 composed of a bridge circuit. Is connected to Since the resistance value of the first sensor 3 and the second sensor 4 changes when the temperature changes, the flow rate detection mechanism 7 detects the change as a temperature change. In addition, the separation distance of the closest part along the face plate direction in each of the serpentine portions of the first sensor 3 and the second sensor 4 on the surface 2H of the substrate 2 is set to, for example, 5 mm or less. By setting the separation distance in this way, it is possible to increase the sensitivity of the temperature difference detected by the first sensor 3 and the second sensor 4 according to the flow rate change.

ヒータ5も、第1センサ3及び第2センサ4と同様に金メッキ51とプラチナメッキ52で形成された電熱線であり、2つのスルーホール21の間でつづら折り状になる部分を有している。図3に示すようにヒータ5のつづら折り状の部分は、第1センサ3及び第2センサ4のつづら折り状の部分よりもその振幅が大きく形成してある。このヒータ5は図示しない電源に接続されており、ガスの温度よりも所定温度だけ高い状態が実現されるように電圧が制御される。   The heater 5 is a heating wire formed of gold plating 51 and platinum plating 52 similarly to the first sensor 3 and the second sensor 4, and has a portion folded in a zigzag manner between the two through holes 21. As shown in FIG. 3, the serpentine portion of the heater 5 is formed to have a larger amplitude than the serpentine portions of the first sensor 3 and the second sensor 4. The heater 5 is connected to a power supply (not shown), and the voltage is controlled so that a state higher than the gas temperature by a predetermined temperature is realized.

流量検出機構7は、第1センサ3及び第2センサ4のガスが流れていないときの温度を基準温度として、ガスが流れているときの第1センサ3及び第2センサ4で取得される温度と、基準温度との温度差に応じた流量を示す信号を外部に出力するように構成されている。なお、第1実施形態の流量検出機構7は、温度差に基づく流量測定法であったが、例えば第1センサ3及び第2センサ4の温度が一定に保たれるように温度制御し、その時の消費電力や印加電圧の変化に基づいて流量を検出するように構成してもよい。   The flow rate detection mechanism 7 uses the temperature of the first sensor 3 and the second sensor 4 when the gas is not flowing as a reference temperature, and sets the temperature obtained by the first sensor 3 and the second sensor 4 when the gas is flowing. And a signal indicating a flow rate corresponding to a temperature difference from the reference temperature to the outside. Although the flow rate detection mechanism 7 of the first embodiment is a flow rate measurement method based on a temperature difference, for example, the temperature control is performed so that the temperatures of the first sensor 3 and the second sensor 4 are kept constant. The flow rate may be detected based on changes in power consumption or applied voltage.

次に基板2の裏面2T側の構成について詳述する。   Next, the configuration on the back surface 2T side of the substrate 2 will be described in detail.

図4に示すように基板2の裏面2Tには、隔壁61によって区成された複数の孔62を具備するハニカム構造6が形成されている。図3に示すようにハニカム構造6は第1センサ3、第2センサ4、ヒータ5の少なくともつづら折り状の部分の裏側には形成されている。第1実施形態ではつづら折り部分と金メッキ部分とを接続するプラチナメッキ部分の裏側にも孔62が配置される。ハニカム構造6については、基板2の直径をRとした場合に基板2の中心から半径0.35Rの仮想円内の領域に含まれるようにしてあり、基板2においてスルーホール21が形成される外周部分にはハニカム構造6の孔62が形成されない。   As shown in FIG. 4, a honeycomb structure 6 having a plurality of holes 62 defined by partition walls 61 is formed on the back surface 2T of the substrate 2. As shown in FIG. 3, the honeycomb structure 6 is formed on the back side of at least the zigzag portion of the first sensor 3, the second sensor 4, and the heater 5. In the first embodiment, the holes 62 are also arranged on the back side of the platinum plated portion connecting the serpentine portion and the gold plated portion. Assuming that the diameter of the substrate 2 is R, the honeycomb structure 6 is included in a region within an imaginary circle having a radius of 0.35R from the center of the substrate 2, and the outer periphery where the through hole 21 is formed in the substrate 2 The hole 62 of the honeycomb structure 6 is not formed in the portion.

複数の孔62はそれぞれ、基板2の裏面2T側から表面2H側へと厚み方向に延びる正六角柱形状をなすものであり、平面充填として最密となるように構成されている。孔62の深さはそれぞれ同じ深さに設定してあり、表面2H側に所定厚みが残るようにしてある。すなわち、ハニカム構造6を形成する各孔62は基板2の裏面2T側に開口し、表面2H側が閉塞した有底のものである。隔壁61についてはどの部分においても同じ厚みとなるようにしてあり、平面充填されている各孔62の形成間隔が一定となるようにしてある。また、ハニカム構造6は基板2における外周部分の基板の厚さよりも薄い所定薄板部分を有し、所定薄板部分から基板2の厚み方向に対して隔壁61が所定厚さまで延びて形成されているとも言い換える事ができる。加えて、各孔62は多角形の辺を形成する各壁61を共有するように配置されている。なお、ハニカム構造6では隔壁61部分の領域に比べて、有底部分を有する各孔62の領域の方の面積が多くなっている方が良い。   Each of the plurality of holes 62 has a regular hexagonal column shape extending in the thickness direction from the back surface 2T side to the front surface 2H side of the substrate 2, and is configured to be the densest as a planar filling. The depths of the holes 62 are set to the same depth, so that a predetermined thickness remains on the surface 2H side. That is, each hole 62 forming the honeycomb structure 6 is open at the back surface 2T side of the substrate 2 and has a closed bottom at the front surface 2H side. The partition wall 61 has the same thickness in any part, and the interval between the holes 62 filled in a plane is constant. Further, the honeycomb structure 6 has a predetermined thin plate portion thinner than the thickness of the substrate in the outer peripheral portion of the substrate 2, and the partition wall 61 extends from the predetermined thin plate portion in the thickness direction of the substrate 2 to a predetermined thickness. I can paraphrase it. In addition, each hole 62 is arranged so as to share each wall 61 forming a polygonal side. In the honeycomb structure 6, it is preferable that the area of each hole 62 having the bottomed portion is larger than the area of the partition 61.

このようなハニカム構造6については例えば基板2をエッチングすることにより形成できる。言い換えると、第1実施形態の熱式流量センサ100の基板2における各構造はMEMS技術によって形成される。   Such a honeycomb structure 6 can be formed, for example, by etching the substrate 2. In other words, each structure in the substrate 2 of the thermal type flow sensor 100 of the first embodiment is formed by MEMS technology.

このように構成された第1実施形態の熱式流量センサ100によれば、石英で形成された基板2の表面2Hに金属メッキによって第1センサ3と第2センサ4を形成しているので、例えばキャピラリ方式の熱式流量センサ100のように各センサと細管との間の絶縁を保つため樹脂層を形成する必要がない。また、基板2は石英で形成されているため高い耐熱性を実現できる。したがって、第1実施形態の熱式流量センサ100であれば、300℃に達するような高温のガスにさらされても、絶縁が破れて測定不能とはならず、流量を測定することができる。   According to the thermal flow sensor 100 of the first embodiment configured as described above, the first sensor 3 and the second sensor 4 are formed by metal plating on the surface 2H of the substrate 2 formed of quartz. For example, there is no need to form a resin layer in order to maintain insulation between each sensor and the thin tube as in the case of the capillary type thermal flow sensor 100. Further, since the substrate 2 is formed of quartz, high heat resistance can be realized. Therefore, according to the thermal type flow sensor 100 of the first embodiment, even when exposed to a high-temperature gas such as 300 ° C., the insulation is not broken and the measurement becomes impossible, and the flow rate can be measured.

さらに、基板2の裏面2T側にはハニカム構造6が形成されていることによって、基板2の熱容量を小さくすることができる。このため、石英のように熱容量の大きい材料で基板2を形成しても、流量の変化により生じる基板2の表面2Hでの温度変化を早くすることができる。したがって、ガスに対する耐熱性を実現しながら流量に対する応答速度を高めることができる。   Further, since the honeycomb structure 6 is formed on the back surface 2T side of the substrate 2, the heat capacity of the substrate 2 can be reduced. For this reason, even if the substrate 2 is formed of a material having a large heat capacity such as quartz, the temperature change at the surface 2H of the substrate 2 caused by the change in the flow rate can be quickened. Therefore, the response speed to the flow rate can be increased while realizing the heat resistance to the gas.

また、単に基板2の裏面2T側に凹部を形成して熱容量を小さくするのではなく、各孔62を区成する隔壁61が形成されているので機械的な強度を保つことができる。このため、流路Cを流れるガスが高温かつ高圧であったとしても、基板2が割れる等してガスが流路Cから外部へ漏出するのを防ぐことができる。   Further, instead of simply forming a concave portion on the back surface 2T side of the substrate 2 to reduce the heat capacity, the partition wall 61 that defines each hole 62 is formed, so that mechanical strength can be maintained. For this reason, even if the gas flowing through the flow path C has a high temperature and a high pressure, it is possible to prevent the gas from leaking from the flow path C to the outside due to, for example, cracking of the substrate 2.

加えて、ハニカム構造6は基板2の裏面2T側に各孔62が開口し、接ガス面となる基板2の表面2Hは平面となるので、基板2の表面2Hがガスの流れを乱すのを抑えることができる。このため、流量の測定精度を向上させることができる。   In addition, in the honeycomb structure 6, since each hole 62 is opened on the back surface 2T side of the substrate 2 and the surface 2H of the substrate 2 serving as a gas contact surface is flat, it is necessary to prevent the surface 2H of the substrate 2 from disturbing the gas flow. Can be suppressed. For this reason, the measurement accuracy of the flow rate can be improved.

次に本発明の第2実施形態に係る熱式流量センサ100について図5を参照しながら説明する。なお、第1実施形態において説明した部材に対応する部材には同じ符号を付すこととする。   Next, a thermal flow sensor 100 according to a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. The members corresponding to the members described in the first embodiment are denoted by the same reference numerals.

図5に示す第2実施形態の熱式流量センサ100は、図2に示す第1実施形態の熱式流量センサ100と比較して、基板2に形成されている各構造が表面2Hと裏面2Tとで逆となるように構成されている。すなわち、第2実施形態では基板2の接ガス面である表面2Hにハニカム構造6の各孔62が開口するとともに、接ガスしない基板2の裏面2Tに第1センサ3、第2センサ4、ヒータ5が形成されている。   The thermal flow sensor 100 according to the second embodiment shown in FIG. 5 is different from the thermal flow sensor 100 according to the first embodiment shown in FIG. 2 in that each structure formed on the substrate 2 has a front surface 2H and a back surface 2T. It is configured to be the reverse of That is, in the second embodiment, each hole 62 of the honeycomb structure 6 is opened on the front surface 2H which is the gas contact surface of the substrate 2, and the first sensor 3, the second sensor 4, the heater 5 are formed.

このように構成された第2実施形態の熱式流量センサ100であれば、基板2の表面2Hにハニカム構造6が形成されており、基板2の熱容量を小さくすることができるので、基板2の裏面2Tに第1センサ3及び第2センサ4が設けられていても流量に応じた温度変化を検出できる。したがって、流体の流れによる温度変化を基板2の裏面2Tで検出し、流量を測定できる。   With the thermal flow sensor 100 according to the second embodiment configured as described above, the honeycomb structure 6 is formed on the surface 2H of the substrate 2, and the heat capacity of the substrate 2 can be reduced. Even if the first sensor 3 and the second sensor 4 are provided on the back surface 2T, a temperature change according to the flow rate can be detected. Accordingly, a flow rate can be measured by detecting a temperature change due to the flow of the fluid on the back surface 2T of the substrate 2.

次に本発明の第3実施形態に係る熱式流量センサ100について図6を参照しながら説明する。なお、第1実施形態において説明した部材に対応する部材には同じ符号を付すこととする。   Next, a thermal flow sensor 100 according to a third embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. The members corresponding to the members described in the first embodiment are denoted by the same reference numerals.

図6に示すように第2実施形態の熱式流量センサ100ではハニカム構造6が形成されている部分が第1センサ3と第2センサ4の近傍のみであり、ヒータ5の近傍にはハニカム構造6は形成されていない。   As shown in FIG. 6, in the thermal flow sensor 100 according to the second embodiment, the portion where the honeycomb structure 6 is formed is only near the first sensor 3 and the second sensor 4, and the honeycomb structure is near the heater 5. 6 is not formed.

このような第3実施形態であっても、基板2の熱容量を低減する効果が得られ、ハニカム構造6を形成しない場合と比較して、流量センサとしての応答速度を向上させることができる。   Even in the third embodiment, the effect of reducing the heat capacity of the substrate 2 can be obtained, and the response speed as the flow sensor can be improved as compared with the case where the honeycomb structure 6 is not formed.

次に本発明の第4実施形態に係る熱式流量センサ100について図7を参照しながら説明する。なお、第1実施形態において説明した部材に対応する部材には同じ符号を付すこととする。   Next, a thermal flow sensor 100 according to a fourth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. The members corresponding to the members described in the first embodiment are denoted by the same reference numerals.

第1実施形態の基板2は、1枚の基板2の裏面2Tに複数の孔62を直接形成していたが、第3実施形態の基板2は、図7(a)及び図7(b)に示すように複数の孔62を厚み方向に貫通させて形成した本体部22と、本体部22の一方の面を塞ぐ蓋体23とを備えている。本体部22に対して蓋体23は接着、接合等されて気密が保たれるようにしてある。   The substrate 2 according to the first embodiment has a plurality of holes 62 directly formed on the back surface 2T of one substrate 2. However, the substrate 2 according to the third embodiment is different from FIGS. 7A and 7B. As shown in FIG. 1, the main body 22 is formed by penetrating a plurality of holes 62 in the thickness direction, and the lid 23 closing one surface of the main body 22. The lid 23 is adhered to, joined to, or the like with respect to the main body 22 so that airtightness is maintained.

このような第4実施形態の熱式流量センサ100であれば、ハニカム構造6を形成する際に孔62を貫通させて形成することができ、その後、蓋体23を本体部22に取り付けることで表面2Hを形成することができる。このため、ハニカム構造6の各孔62の深さや基板2の表面2Hの厚み寸法を正確に形成しやすい。   With such a thermal flow sensor 100 of the fourth embodiment, the honeycomb structure 6 can be formed by penetrating the hole 62 when forming the honeycomb structure 6, and then the lid 23 is attached to the main body 22. The surface 2H can be formed. Therefore, it is easy to accurately form the depth of each hole 62 of the honeycomb structure 6 and the thickness dimension of the surface 2H of the substrate 2.

次に本発明の第5実施形態に係る熱式流量センサ100について図8を参照しながら説明する。なお、第1実施形態において説明した部材に対応する部材には同じ符号を付すこととする。   Next, a thermal flow sensor 100 according to a fifth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. The members corresponding to the members described in the first embodiment are denoted by the same reference numerals.

第1実施形態では、ハニカム構造6の各孔62は基板2の裏面2Tに開口し、表面2Hは閉塞するように構成されていたが、第4実施形態ではハニカム構造6の各孔62は基板2の表面2Hに開口し、裏面2Tは閉塞した有底孔として形成されている。   In the first embodiment, each hole 62 of the honeycomb structure 6 is configured to open to the back surface 2T of the substrate 2 and to close the front surface 2H. However, in the fourth embodiment, each hole 62 of the honeycomb structure 6 is 2 is formed on the front surface 2H, and the back surface 2T is formed as a closed bottomed hole.

また、第1センサ3、第2センサ4、ヒータ5についてはハニカム構造6の隔壁61の端面部分を金属メッキすることにより形成されている。   Further, the first sensor 3, the second sensor 4, and the heater 5 are formed by plating the end face of the partition wall 61 of the honeycomb structure 6 with metal.

このような第5実施形態の熱式流量センサ100であっても、基板2の熱容量を減らし、流量変化に対する応答速度を向上させることができる。   Even in such a thermal type flow sensor 100 of the fifth embodiment, the heat capacity of the substrate 2 can be reduced, and the response speed to a change in the flow rate can be improved.

その他の実施形態について説明する。   Other embodiments will be described.

基板の材質については石英に限定されるものではなく、例えばジルコニア等のセラミックスで形成されてもよい。   The material of the substrate is not limited to quartz, and may be made of, for example, ceramics such as zirconia.

ハニカム構造を構成する各孔の形状は正六角形に限られるものではない。例えば各孔の横断面が四角形、三角形等の多角形、円形、楕円形等であってもよい。また、本明細書におけるハニカム構造は、同一横断面形状の複数の孔がそれぞれ等間隔で平面的に配置されているものであればよく、最密平面充填の条件を満たしていなくてもよい。   The shape of each hole constituting the honeycomb structure is not limited to a regular hexagon. For example, the cross section of each hole may be a polygon such as a square or a triangle, a circle, an ellipse, or the like. In addition, the honeycomb structure in the present specification may be any structure in which a plurality of holes having the same cross-sectional shape are arranged at equal intervals in a plane, and may not satisfy the condition of close-packed plane filling.

基板の表面には少なくとも第1センサ、第2センサが形成されていればよく、ヒータについては省略してもよい。   It is sufficient that at least the first sensor and the second sensor are formed on the surface of the substrate, and the heater may be omitted.

第3実施形態では、本体部の一方の面にのみ蓋体を取り付けるようにしていたが、本体部の両方の面にそれぞれ蓋体を設けてサンドイッチ構造を形成してもよい。このようにすればさらに機械的な強度を高めることができる。また、第3実施形態と第4実施形態を組み合わせて蓋体により基板の裏面を形成してもよい。   In the third embodiment, the lid is attached to only one surface of the main body. However, a lid may be provided on both surfaces of the main body to form a sandwich structure. By doing so, the mechanical strength can be further increased. Further, the back surface of the substrate may be formed by a lid by combining the third embodiment and the fourth embodiment.

本発明に係る熱式流量センサは高温流体の流量測定にのみ限定されるものではなく、通常の環境温度での流量測定に用いても構わない。   The thermal type flow sensor according to the present invention is not limited to measuring the flow rate of a high temperature fluid, but may be used for measuring the flow rate at a normal environmental temperature.

その他、本発明の趣旨に反しない限りにおいて様々な実施形態の一部又は全部を組み合わせたり、変形したりしても構わない。   In addition, some or all of the various embodiments may be combined or modified without departing from the spirit of the present invention.

100・・・熱式流量センサ
1 ・・・フランジ
2 ・・・基板
21 ・・・スルーホール
22 ・・・本体部
23 ・・・蓋体
3 ・・・第1センサ
4 ・・・第2センサ
5 ・・・ヒータ
6 ・・・ハニカム構造
61 ・・・隔壁
62 ・・・孔
7 ・・・流量検出機構
100: Thermal flow sensor 1 ... Flange 2: Substrate 21: Through hole 22: Main body 23: Lid 3: First sensor 4: Second sensor 5 Heater 6 Honeycomb structure 61 Partition wall 62 Hole 7 Flow rate detection mechanism

Claims (8)

流体が流れる流路に表面が面するように取り付けられる基板と、
前記基板の表面又は裏面に形成される第1センサと、
前記基板の表面又は裏面に形成され、前記第1センサよりも下流側に配置される第2センサと、
前記基板において隔壁により区成された前記基板の厚み方向に延びる複数の孔を具備するハニカム構造と、を備えた熱式流量センサ。
A substrate attached so that the surface faces the flow path through which the fluid flows,
A first sensor formed on the front surface or the back surface of the substrate,
A second sensor formed on the front surface or the back surface of the substrate, and disposed downstream of the first sensor;
A honeycomb structure including a plurality of holes extending in the thickness direction of the substrate and defined by partition walls in the substrate.
前記基板が石英ガラス又はセラミックスで形成されている請求項1記載の熱式流量センサ。   The thermal flow sensor according to claim 1, wherein the substrate is formed of quartz glass or ceramic. 前記第1センサ及び前記第2センサが前記基板の表面に形成されており、
複数の前記孔が、前記基板の裏面側に開口し、前記基板の表面側が閉塞された有底孔である請求項1又は2記載の熱式流量センサ。
The first sensor and the second sensor are formed on a surface of the substrate,
The thermal flow sensor according to claim 1, wherein the plurality of holes are bottomed holes that are opened on the back surface side of the substrate and the front surface side of the substrate is closed.
前記基板の表面又は裏面に形成され、前記第1センサと前記第2センサとの間に配置されたヒータをさらに備えた請求項1乃至3いずれかに記載の熱式流量センサ。   The thermal type flow sensor according to any one of claims 1 to 3, further comprising a heater formed on a front surface or a rear surface of the substrate and disposed between the first sensor and the second sensor. 前記第1センサ、前記第2センサ、及び、前記ヒータが前記基板の表面に形成されており、
複数の前記孔が、前記第1センサ、前記第2センサ、及び、前記ヒータの裏側に形成されている請求項4記載の熱式流量センサ。
The first sensor, the second sensor, and the heater are formed on a surface of the substrate,
The thermal flow sensor according to claim 4, wherein the plurality of holes are formed on the back side of the first sensor, the second sensor, and the heater.
前記孔の横断面形状が正六角形である請求項1乃至5いずれかに記載の熱式流量センサ。   The thermal flow sensor according to any one of claims 1 to 5, wherein a cross-sectional shape of the hole is a regular hexagon. 前記第1センサと前記第2センサとの間の前記表面に沿った方向の離間距離が、5mm以下である請求項1乃至6いずれかに記載の熱式流量センサ。   The thermal flow sensor according to any one of claims 1 to 6, wherein a separation distance between the first sensor and the second sensor in a direction along the surface is 5 mm or less. 前記基板が直径Rの概略円板形状をなすものであり、
前記ハニカム構造が、前記基板の中心から半径0.35R以下の仮想円内の領域に形成されている請求項1乃至7いずれかに記載の熱式流量センサ。
The substrate has a substantially disk shape with a diameter R,
The thermal flow sensor according to any one of claims 1 to 7, wherein the honeycomb structure is formed in a region within a virtual circle having a radius of 0.35R or less from the center of the substrate.
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